高速出口行車(chē)條件對(duì)駕駛員應(yīng)激反應(yīng)與減速行為的影響

符鋅砂， 杜錦濤， 何石堅(jiān)

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

0 引言

駕駛員應(yīng)激反應(yīng)和減速行為直接關(guān)系到高速出口段交通安全。在高速出口路段，駕駛員需要完成對(duì)道路環(huán)境的觀察、作出決策、執(zhí)行決策并駛離高速等一系列過(guò)程，相比于一般路段，高速出口段駕駛員減速行為和應(yīng)激反應(yīng)有明顯差異。這種差異帶來(lái)了安全隱患，研究表明，出口路段事故率比一般路段高出30%左右[1]。駕駛員應(yīng)激反應(yīng)與減速行為的改善對(duì)提高高速出口路段行車(chē)安全具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)高速出口路段駕駛員應(yīng)激反應(yīng)與減速行為展開(kāi)了相關(guān)研究，DEFFNBACHER J L[2]等分析了駕駛員情緒對(duì)車(chē)道變換行為的影響，黃凱[3]等研究不同速度下視野改變情況得到標(biāo)志識(shí)認(rèn)距離，徐慧智[4]等分析得出駕駛員在變化車(chē)道期間的視覺(jué)注視時(shí)長(zhǎng)均值與分布規(guī)律，趙妮娜[5]等通過(guò)電腦模擬試驗(yàn)分析了不同信息量標(biāo)志下駕駛員所需反應(yīng)時(shí)間并提出信息量閾值。MORIDPOUR S[6]等研究了變道過(guò)程中車(chē)輛減速行為和變道時(shí)間，并得到可接受變道間隙；許倫輝[7]等通過(guò)MATLAB仿真討論了不同行駛狀態(tài)及駕駛員類(lèi)型的加減速行為。國(guó)內(nèi)學(xué)者在駕駛行為基礎(chǔ)上，分析得高速出口預(yù)告標(biāo)志的合適設(shè)置距離[8-10]，崔洪軍[10]等將駛離高速過(guò)程分為反應(yīng)期、變道期和減速期，還論證了出口預(yù)告標(biāo)志安全設(shè)置距離對(duì)變道成功率產(chǎn)生的影響，符鋅砂[11]等采用AHP分析了多因素組合下的交通安全治理模型，彭宇[12]等利用序關(guān)系確定權(quán)重并按服務(wù)重疊面積評(píng)價(jià)了高速出入口處的分布的合理性和科學(xué)性。

現(xiàn)有研究雖然已經(jīng)對(duì)高速出口處駕駛員心理和駕駛行為的做了大量分析，包括：減速行為規(guī)律，預(yù)告標(biāo)志安全距離對(duì)交通安全的影響等，但是尚存在3方面不足： ①現(xiàn)有研究成果多數(shù)建立在模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的研究較少；②行車(chē)條件對(duì)駕駛員心理與駕駛行為的影響鮮被討論；③現(xiàn)有研究很少討論駕駛員心理變化與駕駛行為的關(guān)系。

鑒于此，本文針對(duì)山區(qū)高速出口特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了以出口提示距離和運(yùn)行速度為自變量的正交實(shí)車(chē)試驗(yàn)，對(duì)不同行車(chē)條件下SCR與dmax的變化規(guī)律，以及SCR與dmax間的相關(guān)性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)高速公路出口駕駛員生理變化規(guī)律和優(yōu)化出口設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)變量

1.1.1自變量

出口提示距離和運(yùn)行速度是高速出口路段行車(chē)條件的重要特征。本研究在設(shè)計(jì)速度為100km/h的雙向四車(chē)道高速公路出口路段，進(jìn)行自變量為出口提示距離和運(yùn)行速度的3×3正交實(shí)車(chē)試驗(yàn)。

出口提示距離分300、500和700m的3個(gè)水平，運(yùn)行速度分110、100和90km/h的3個(gè)水平，共組成9種不同試驗(yàn)情景。

1.1.2因變量

皮膚電導(dǎo)反應(yīng)(SCR)是駕駛員應(yīng)激反應(yīng)的重要特征參數(shù)。SCR是由刺激而引起的生理心理激惹狀態(tài)，可作為交感神經(jīng)系統(tǒng)功能的直接指標(biāo)，也可以作為腦喚醒、警覺(jué)水平的間接指標(biāo)[13]，因此將SCR作為高速出口駕駛過(guò)程中駕駛員的緊張程度[14]的表征指標(biāo)。本研究將每一次試驗(yàn)過(guò)程中駕駛員的最大皮膚電刺激反饋程度作為每一次試驗(yàn)的皮膚電導(dǎo)反應(yīng)，記為SCR。

最大減速度是駕駛行為變化程度的重要特征參數(shù)。在高速出口路段，駕駛員過(guò)度的減速行為可能會(huì)對(duì)主線(xiàn)正常行駛車(chē)輛造成的干擾進(jìn)而影響交通安全，因此將車(chē)輛最大減速度作為評(píng)價(jià)駕駛行為安全性的指標(biāo)。本研究將每一次試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)輛的最大減速度作為該次試驗(yàn)的最大減速度，記為dmax。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)采集

如圖1所示，本次試驗(yàn)儀器設(shè)備為車(chē)載智能盒子和生理檢測(cè)器，其中圖1(a)為車(chē)載智能盒子，圖1(b)為BIOPAC MP160生理檢測(cè)器連接圖。試驗(yàn)車(chē)輛為豐田漢蘭達(dá)。車(chē)載智能盒子可從試驗(yàn)車(chē)輛OBD接口按2Hz頻率讀取車(chē)輛實(shí)時(shí)行駛速度和加速度。生理檢測(cè)器通過(guò)電導(dǎo)片和電導(dǎo)液按2000Hz頻率采集駕駛員駕駛實(shí)時(shí)生理反應(yīng)。

1.3 試驗(yàn)路段

本研究將雙向4車(chē)道且設(shè)計(jì)速度為100km/h的小三江服務(wù)區(qū)路段(廣東某高速公路hj至lz段)作為試驗(yàn)路段，該路段未處于平原微丘區(qū)，試驗(yàn)路段前后為低填低挖路段，邊坡平緩，路側(cè)植被不影響駕駛視野。試驗(yàn)期間該路段交通量為325veh/(h·ln)，處于自由流交通水平。試驗(yàn)前在高速出口減速車(chē)道前300、500和700m處設(shè)置出口提示標(biāo)志，設(shè)置如圖2所示。

(a) 智能盒子接車(chē)輛圖

(b) BIOPAC MP160生理檢測(cè)器連接圖

圖2 出口路段試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)及標(biāo)記布設(shè)圖

本研究分析路段為漸變段起點(diǎn)前的高速公路主線(xiàn)路段。高速公路服務(wù)區(qū)出口和收費(fèi)站出口的車(chē)流，均按以下順序駛離高速主線(xiàn)[15]：主線(xiàn)→漸變段→(輔助車(chē)道)→減速車(chē)道→匝道，盡管漸變段以后的形式在兩種出口中設(shè)計(jì)形式和標(biāo)準(zhǔn)有異，主線(xiàn)部分的設(shè)計(jì)指標(biāo)在兩種高速出口處均參考相同的設(shè)計(jì)速度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，服務(wù)區(qū)進(jìn)行的試驗(yàn)在兩種出口主線(xiàn)路段分析時(shí)均具備代表性。本試驗(yàn)結(jié)果可以為高速公路互通出口的研究提供參考。

1.4 試驗(yàn)條件

為控制自變量以外其余試驗(yàn)條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)均在白天時(shí)段(8:00—17:00)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)天氣晴朗，通視條件良好。

1.5 被試人員

為減少駕駛員自身差異對(duì)試驗(yàn)的影響，篩選駕駛員有以下要求：持有中華人民共和國(guó)C1駕照2 a以上；年高速公路駕駛里程在5000km以上；男性；視力正常且無(wú)生心理疾病。本次試驗(yàn)共招募了18名滿(mǎn)足要求的男性駕駛員，平均年齡32歲(SD=12.2)，平均駕齡8年(SD=6.5)。

1.6 試驗(yàn)過(guò)程

單次試驗(yàn)由1名駕駛員和1名觀察員共同完成，每1名駕駛員在觀察員的指揮下共進(jìn)行9個(gè)不同試驗(yàn)情景的試驗(yàn)。觀察員負(fù)責(zé)按試驗(yàn)情景要求下達(dá)指令，被試駕駛員根據(jù)指令進(jìn)行駕駛。

每名駕駛員的試驗(yàn)過(guò)程：駕駛員按順序進(jìn)行試驗(yàn)，每1名駕駛員就坐后，先進(jìn)行儀器標(biāo)定與檢測(cè)，檢測(cè)正常后方可開(kāi)始試驗(yàn)。在進(jìn)入出口提示點(diǎn)前，駕駛員被要求保持試驗(yàn)情景對(duì)應(yīng)的行駛速度行駛，到達(dá)試驗(yàn)情景對(duì)應(yīng)的出口提示點(diǎn)，觀察員下達(dá)指令駛離高速，隨后駕駛員按自己習(xí)慣駛離高速。

每名駕駛員完成9個(gè)不同情景試驗(yàn)后，先檢查試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否有效，如果有無(wú)效數(shù)據(jù)的試驗(yàn)則補(bǔ)充相應(yīng)試驗(yàn)情景的試驗(yàn)，如果沒(méi)有無(wú)效數(shù)據(jù)則更換下1名駕駛員繼續(xù)試驗(yàn)。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

本試驗(yàn)整理并統(tǒng)計(jì)每種情景下的SCR與dmax，如表1所示，并進(jìn)行對(duì)SCR和dmax變化規(guī)律分別進(jìn)行分析。

2.1 皮膚電導(dǎo)反應(yīng)

2.1.1運(yùn)行速度變化對(duì)SCR的影響規(guī)律

為探討運(yùn)行速度對(duì)SCR是否有顯著影響，本研究將數(shù)據(jù)按運(yùn)行速度分為110、100和90 km/h的3大組進(jìn)行ANOVA檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示，3大組樣本數(shù)共162個(gè)，P值小于0.01。根據(jù)結(jié)果可知，運(yùn)行速度對(duì)駕駛員皮膚電導(dǎo)反應(yīng)具有顯著性影響。

表1 試驗(yàn)結(jié)果匯總表Table1 Test result summary提示距離水平/m運(yùn)行速度水平/(km·h-1)SCR平均值/μsmdmax平均值/(m·s-2)3001101.17-1.133001000.97-0.75300900.74-0.535001100.72-1.165001000.53-0.85500900.35-0.497001100.66-1.037001000.49-0.86700900.34-0.52

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)討論這種顯著性影響在每種提示距離條件下是否均存在，同樣采用ANOVA方法(Analysis of Variance，常見(jiàn)的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)模型，主要用于探討連續(xù)型因變量與類(lèi)別型自變量的關(guān)系)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示，各提示距離條件下樣本數(shù)均為54，P值均小于0.01。這說(shuō)明了在每種提示距離條件下，運(yùn)行速度對(duì)駕駛員皮膚電導(dǎo)反應(yīng)均具有顯著性影響。

表2 運(yùn)行速度對(duì)SCR影響的ANOVA檢驗(yàn)Table 2 ANOVA test for the effect of running speed on SCR提示距離/m110 km/h100 km/h90 km/h均值/μsm方差均值/μsm方差均值/μsm方差本數(shù)FP—0.850.090.660.070.480.0516226.6<0.013001.170.090.970.050.740.025415.9<0.015000.720.020.530.020.350.015439.7<0.017000.660.010.490.010.340.005450.0<0.01

在上述顯著性影響的基礎(chǔ)上，為討論運(yùn)行速度對(duì)SCR的變化規(guī)律，本研究將每一種提示距離下的數(shù)據(jù)按運(yùn)行速度分組，如圖3所示，在每種提示距離條件下，隨著運(yùn)行速度減小SCR呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。

圖3 不同提示距離條件下運(yùn)行速度變化對(duì)SCR的影響Figure 3 Influence of running speed change on SCR under different guide distances

2.1.2出口提示距離變化對(duì)SCR的影響規(guī)律

為探討提示距離對(duì)SCR是否有顯著影響，本研究將數(shù)據(jù)按提示距離分為300、500和700 m的3大組進(jìn)行ANOVA檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，3大組樣本數(shù)共162個(gè)，P值小于0.01。根據(jù)結(jié)果可知，提示距離對(duì)駕駛員皮膚電導(dǎo)反應(yīng)具有顯著性影響。

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)討論這種顯著性影響在每種運(yùn)行速度條件下是否均存在，同樣采用ANOVA方法進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示，每種運(yùn)行速度條件下樣本數(shù)均為54，P值均小于0.01。這說(shuō)明了每種運(yùn)行速度條件下，提示距離對(duì)駕駛員皮膚電導(dǎo)反應(yīng)均具有顯著性影響。

在上述顯著性影響的基礎(chǔ)上，為討論提示距離對(duì)SCR的變化規(guī)律，本研究將每種運(yùn)行速度條件下的數(shù)據(jù)按提示距離分組，如圖4所示，在同種運(yùn)行速度條件下，提示距離從300m增加到500m，SCR降低且幅度較大；在同種運(yùn)行速度條件下，提示距離從500m增加到700m，SCR降低但幅度較小。

表3 提示距離對(duì)SCR影響的ANOVA檢驗(yàn)Table 3 ANOVA test for the effect of guide distance on SCRkN運(yùn)行速度/(km·h-1)300 m500 m700 m均值/μsm方差均值/μsm方差均值/μsm方差樣本數(shù)FP—0.96 0.08 0.54 0.04 0.49 0.03 16274.29<0.011101.17 0.09 0.72 0.02 0.66 0.01 5436.42 <0.011000.97 0.05 0.53 0.02 0.49 0.01 5448.31 <0.01900.74 0.02 0.35 0.01 0.34 0.00 5482.78 <0.01

圖4 不同運(yùn)行速度條件下提示距離變化對(duì)SCR的影響Figure 4 Influence of guide distance change on SCR under different running speeds

2.2 最大減速度

2.2.1運(yùn)行速度變化對(duì)最大減速度的影響規(guī)律

為探討運(yùn)行速度對(duì)dmax是否有顯著影響，本研究將數(shù)據(jù)按運(yùn)行速度分為110、100和90 km/h的3大組進(jìn)行ANOVA檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示，3大組樣本數(shù)共162個(gè)，P值小于0.01。根據(jù)結(jié)果可知，運(yùn)行速度對(duì)dmax具有顯著性影響。

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)討論這種顯著性影響在每種提示距離條件下是否均存在，同樣采用ANOVA方法進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示，每種提示距離條件下樣本數(shù)均為54，P值均小于0.01。這說(shuō)明了每種提示距離條件下，運(yùn)行速度對(duì)dmax均具有顯著性影響。

表4 運(yùn)行速度對(duì)dmax影響的ANOVA檢驗(yàn)Table 4 ANOVA test for the effect of running speed on dmax提示距離/m110 km/h100 km/h90 km/h均值/(m·s-2)方差均值/(m·s-2)方差均值/(m·s-2)方差樣本數(shù)FP—-1.10 0.04 -0.82 0.03 -0.51 0.02 162156.17<0.01300-1.13 0.06 -0.75 0.04 -0.53 0.02 5441.86 <0.01500-1.16 0.04 -0.85 0.02 -0.49 0.04 5458.87 <0.01700-1.03 0.02 -0.86 0.01 -0.52 0.01 5481.18 <0.01

在上述顯著性影響的基礎(chǔ)上，為討論運(yùn)行速度對(duì)dmax的變化規(guī)律，本研究將每種提示距離條件下的數(shù)據(jù)按運(yùn)行速度分組，如圖5所示，在同種提示距離下，隨著運(yùn)行速度減小dmax降低。

圖5 不同提示距離條件下運(yùn)行速度變化對(duì)dmax的影響Figure 5 Influence of running speed change on dmax under different guide distances

2.2.2出口提示距離變化對(duì)dmax的影響規(guī)律

為探討提示距離對(duì)SCR是否有顯著影響，本研究將數(shù)據(jù)按提示距離分為300、500和700 m的3大組進(jìn)行ANOVA檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示，3大組樣本數(shù)共162個(gè)，P值大于0.01。根據(jù)結(jié)果可知，提示距離對(duì)dmax無(wú)顯著性影響。

為驗(yàn)證不同運(yùn)行速度條件下，提示距離對(duì)dmax是否均無(wú)顯著性影響。同樣采用ANOVA方法進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示，每種運(yùn)行速度條件下樣本數(shù)均為54，P值均大于0.01。這說(shuō)明了在每種運(yùn)行速度條件下，提示距離對(duì)dmax均無(wú)顯著性影響。在每種運(yùn)行速度條件下，提示距離的變化對(duì)dmax無(wú)明確的影響規(guī)律，如圖6所示。

表5 提示距離對(duì)dmax影響的ANOVA檢驗(yàn)Table 5 ANOVA test for the effect of guide distance on dmax運(yùn)行速度/(km·h-1)300 m500 m700 m均值/(m·s-2)方差均值/(m·s-2)方差均值/(m·s-2)方差樣本數(shù)FP—-0.80 0.10 -0.83 0.11 -0.80 0.061620.16 0.86 110-1.13 0.06 -1.16 0.04 -1.03 0.02 542.07 0.14 100-0.75 0.04 -0.85 0.02 -0.86 0.01 542.36 0.10 90-0.53 0.02 -0.49 0.04 -0.52 0.01 540.35 0.71

圖6 不同運(yùn)行速度條件下提示距離變化對(duì)dmax的影響Figure 6 Influence of guide distance change on dmax under different running speeds

3 SCR與dmax相關(guān)性分析

為探討SCR與dmax兩者間的相關(guān)性，將每一次試驗(yàn)的dmax和SCR分別作為點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖(圖7)，并采用最小角回歸(Least Angle Regression)魯棒性回歸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，不同情景的擬合函數(shù)參數(shù)和擬合程度如表6所示。

圖7數(shù)據(jù)分布和表6的擬合結(jié)果表明：

a.當(dāng)行車(chē)條件(出口提示距離、運(yùn)行速度)一定時(shí)，SCR與dmax呈現(xiàn)正相關(guān)且規(guī)律明顯，減速越快對(duì)駕駛員的刺激程度越大。

b.當(dāng)運(yùn)行速度一定時(shí)，隨著提示距離增加，同樣程度的減速行為對(duì)駕駛員產(chǎn)生的刺激程度就越小。比較運(yùn)行速度為110 km/h的3個(gè)散點(diǎn)擬合圖(第1列)，隨著出口提示距離增加，擬合直線(xiàn)斜率減小，這說(shuō)明了越早提醒駕駛員駛離高速，駕駛員越早有心理準(zhǔn)備，同樣程度的減速行為對(duì)駕駛員產(chǎn)生的刺激程度就越小。比較第2列、第3列圖，可得同樣規(guī)律。

圖7 SCR與dmax的相關(guān)性擬合Figure 7 Correlation between SCR and dmax

表6 y=kx+b參數(shù)擬合結(jié)果Table 6 Parameter fitting result of y=kx+b提示距離/m運(yùn)行速度/(km·h-1)kbR-square300110-0.1971.1250.590300100-0.1840.9540.86530090-0.0770.7700.883500110-0.0840.7460.882500100-0.1380.5190.77950090-0.0870.3510.758700110-0.0260.6450.151700100-0.0820.4830.79270090-0.0290.3420.271 注:R-square:確定系數(shù),正常取值范圍為[0 1],越接近1,表明方程的變量對(duì)y的解釋能力越強(qiáng),這個(gè)模型對(duì)數(shù)據(jù)擬合得也較好。

c.當(dāng)提示距離一定時(shí)，運(yùn)行速度變化對(duì)直線(xiàn)斜率影響不明確。

4 結(jié)論

a.當(dāng)出口提示距離一定時(shí)，SCR隨著運(yùn)行速度的減小而減小，且運(yùn)行速度變化對(duì)SCR有顯著性影響；當(dāng)出口提示距離一定時(shí)，dmax隨著運(yùn)行速度的減小而減小，且運(yùn)行速度變化對(duì)dmax有顯著性影響。

b.當(dāng)運(yùn)行速度一定時(shí)，SCR隨提示距離增加而降低，且提示距離變化對(duì)SCR有顯著性影響；當(dāng)運(yùn)行速度一定時(shí)，提示距離變化對(duì)dmax無(wú)顯著性影響。

c.當(dāng)行車(chē)條件(出口提示距離、運(yùn)行速度)一定時(shí)，SCR與dmax呈現(xiàn)正相關(guān)且規(guī)律明顯，減速越快對(duì)駕駛員的刺激程度越大；當(dāng)運(yùn)行速度一定時(shí)，隨著提示距離增加，同樣程度的減速行為對(duì)駕駛員產(chǎn)生的刺激程度就越?。划?dāng)提示距離一定時(shí)，運(yùn)行速度變化對(duì)直線(xiàn)斜率影響不明確。